Universidad Nacional Mayor de San MarcosFacultad de Ciencias MatematicasE. A. P.de Computación Cientifica

Arquitectura de Computadores

Semana 01

Como funciona un PC

Todo PC funciona, desde un punto de vista llamado externo, con un esquema similar y muy simple a través de los periféricos de entrada (teclado, ratón, micrófono...) se introducen datos. Estos pasan a guardarse en los dispositivos correspondientes (memorias) y se incorporan a la unidad central donde se procesan.

El resultado de tal procesamiento se envía a los periféricos de salida (monitor, impresora...) dando lugar a la salida de datos. Internamente, la transferencia de los datos desde los dispositivos de entrada llega a la unidad central de proceso a través de los denominados buses de datos. En el CPU se procesan y siguen el camino inverso al recorrido anteriormente: se guardan en la memoria y restantes unidades de almacenamiento y salen mediante los dispositivos de salida.

Definiciones de: computador, arquitectura y organización del computador

Se puede definir la arquitectura de computadores como el estudio de la estructura, funcionamiento y diseño de computadores. Esto incluye, sobre todo a aspectos de hardware, pero también afecta a cuestiones de software de bajo nivel.

Computador, dispositivo electrónico capaz de recibir un conjunto de instrucciones y ejecutarlas realizando cálculos sobre los datos numéricos, o bien compilando y correlacionando otros tipos de información.

Definiciones de: computador, arquitectura y organización del computador

ENTRADA

Ingreso de Datos

Dispositivos de

Entrada

PROCESO

Trabajo de la CPU

Unidad Central de Proceso

SALIDA

Entrega de

Resultados

Dispositivos de

Salida

Generación de Computadores

1ª generación: (1946-1955) Computadores basados en válvula de vacío que se programaron en lenguaje máquina o en lenguaje ensamblados.

2ª generación: (1953-1964) Computadores de transistores. Evolucionan los modos de direccionamiento y surgen los lenguajes de alto nivel.

3ª generación: (1964-1974) Computadores basados en circuitos integrados y con la posibilidad de trabajar en tiempo compartido.

4ª generación: (1974- ) Computadores Que integran toda la CPU en un solo circuito integrado (microprocesadores). Comienzan a proliferar las redes de computadores.

LA UNIDAD CENTRAL DE PROCESO

La Unidad central de proceso o CPU, se puede definir como un circuito microscópico que interpreta y ejecuta instrucciones.

La CPU se ocupa del control y el proceso de datos en los computadores.

Habitualmente, la CPU es un microprocesador fabricado en un chip, un único trozo de silicio que contiene millones de componentes electrónicos.

LA UNIDAD CENTRAL DE PROCESO

El microprocesador de la CPU está formado por:

Una unidad aritmético-lógica que realiza cálculos y comparaciones, y toma decisiones lógicas (determina si una afirmación es cierta o falsa mediante las reglas del álgebra de Boole);

Una serie de registros donde se almacena información temporalmente, y,

Una unidad de control que interpreta y ejecuta las instrucciones.

¿ Como se entera de lo que el usuario desea ?

Para aceptar órdenes del usuario, acceder a los datos y presentar los resultados, la CPU se comunica a través de un conjunto de circuitos o conexiones llamado bus.

El usuario lo hace a traves de alguna plataforma operativa (Windows, Linux)

Elementos componen el Microprocesador

Unidad de control: controla el funcionamiento de la CPU y por tanto del computador.

Unidad aritmético-lógica (ALU): encargada de llevar a cabo las funciones de procesamiento de datos del computador.

Registros: proporcionan almacenamiento interno a la CPU.

Interconexiones CPU: Son mecanismos que proporcionan comunicación entre la unidad de control, la ALU y los registros.

Periféricos

De

Entrada

MemoriaPrincipal

Unidad de Control

UnidadAritmética

Periféricos

De

Salida

CPU

Unidad Central de Proceso

¿ Como se mide la velocidad ?

La velocidad de un procesador se mide en Megahertz y, mientras mayor es el número de megahertz con que trabaja el computador, tiene mayor velocidad de proceso.

En realidad, los megahertz indican la velocidad del reloj interno que posee todo microprocesador.

Este establece el número de pulsos que se efectúan en cada segundo. Cuanto mayor sea el número de pulsos, mayor será la velocidad del microprocesador.

¿ Como viaja la información ?

La información viaja utilizando los buses. Los buses "Son cada una de líneas metálicas de los circuitos

impresos,por aquí circula todo tipo de información, que va de un dispositivo a otro"

¿ Como viaja la información ?

Buses

Son caminos de comunicación entre 2 o mas dispositivos

Usualmente de transmisión Frecuente agrupados

Un número de canales en un bus ejm. Bus de datos de 32 bit son 32 líneas del bus

Control

Datapath

Memory

ProcessorInput

Output

Tipos de Buses

Bus de Sistema (Procesador-Memoria) Corto y alta velocidad Solo necesita emparejar con la memoria

Maximiza el ancho de banda procesador-memoria

Conectado directamente al procesador Optimizado por transferencia de bloques de cache

Bus I/O (estándar industrial) Usualmente largo y lento Necesita empatar un amplio rango de dispositivos I/O Conectado al bus del procesador-memoria.

CaracterísticasLa capacidad de rendimiento de un BUS viene determinada por 3 parámetros: Ancho del BUS: numero de líneas en paralelos por las que se

transmiten la info. Puede ser de 8-16-32-64 bits o incluso de 128 para las tarjetas de video.

Frecuencia del BUS: la frecuencia de reloj con el que el BUS trabaja (MHz).

Velocidad de transmisión del BUS: MB que se pueden transmitir por segundo.

Memoria Cache

• El intercambio de datos entre la CPU y la memoria RAM es una de las tareas que se hacen con mayor frecuencia.

• Dado que la RAM es mucho más lenta que la CPU se ha incorporado a la CPU y a la Motherboard, un circuito de memoria Caché, la cuál es una memoria de alta velocidad. Esta es una de las cosas que mejora el desempeño del sistema en general.

• La memoria Caché es un circuito de memoria de alta velocidad en el que se almacenan bloques de instrucciones del programa en ejecución y un bloque de datos del conjunto de datos que se utilizó por ultima vez, de forma que la siguiente vez que se necesiten estos datos, se toman directamente de esta memoria.

Tipos de Memoria CacheExisten dos tipos:

Cache de Primer Nivel (Level 1) Ubicada dentro del procesador Divida en dos partes. Para datos y para instrucciones Utilizada unicamente por el procesador

Cache de Segundo Nivel (Level 2) Ubicada por fuera del procesador (en la placa madre) Mantiene los ultimos datos utilizados y esta en contacto permanente con la

memoria RAM. Es de uso general para las diferentes aplicaciones (soiftware) que maneja el

computador.

Memoria Caché: Funcionamiento

• Cuando un programa está ejecutándose y la CPU necesita ir a traer datos (o más instrucciones) a la RAM, primero verifica que los datos estén en la memoria caché.

• Si no los encuentra en la caché, traerá una copia de esos datos de la RAM a la CPU y también realizará una copia en la memoria caché.

• La próxima vez que los necesita, los irá a buscar a la memoria caché, de donde los podrá extraer más rápidamente.

• El último bloque de datos leído desde la RAM también se copia en la memoria caché. Este bloque es, con mucha probabilidad, el mismo que se necesitará en la próxima lectura de datos.

Esquena de utilización de la memoria caché

Semiconductores Como sabemos existen materiales capaces de conducir la corriente

eléctrica mejor que otros. Generalizando, se dice que los materiales que presentan poca resistencia al paso de la corriente eléctrica son conductores. Analógicamente, los que ofrecen mucha resistencia al paso de esta, son llamados aislantes. No existe el aislante perfecto y prácticamente tampoco el conductor perfecto.

Existe un tercer grupo de materiales denominados semiconductores que, como su nombre lo indica, conducen la corriente bajo ciertas condiciones.

Bit y Bytes• La unidad de almacenamiento tanto en discos como en cintas y en

memoria de trabajo (RAM) es el Byte. Un Byte está constituido por 8 pulsos o señales, llamados bits (abreviatura de binary digit = dígito binario).

• Cada símbolo interpretable, que se puede almacenar en la computadora: letras del alfabeto, signos de puntuación, etc., están formados por bytes.

• La capacidad de almacenamiento (fijo o temporal) se mide de acuerdo a la cantidad de bytes que pueden contener.

Unidades de medida

Unidad de medida de almacenamiento

Equivalente a

Byte (B) 8 bits

Kilobyte (KB) 1024 Bytes (= 210) bytes

Megabyte (MB) 1024 Kilobytes (= 220 bytes) (1048576 bytes)

Gigabyte (GB) 1024 Megabytes (= 230 bytes) (1073741824 bytes)

Terabyte (TB) 1024 Gigabytes (= 240 bytes) (1099511627776 bytes)

Petabyte (PB) 1024 Terabytes (= 250 bytes) (1125899906842624 bytes)

Exabyte (EB) 1024 Petaytes (= 260 bytes) (1152921504606846976 bytes)

Zettabyte (ZB) 1024 Exabytes (= 270 bytes) (1180591620717411303424 bytes)

Yottabyte (YB) 1024 Zettabytes (= 280 bytes) (1208925819614629174706176 bytes)

Memorias del Sistema

RAM (Random Access Memory) Static RAM (SRAM)

o Async SRAMo Sync RAMo Pipeline Burst SRAM

Dinamic RAM (DRAM)o Fast Page Mode (FMP DRAM)o Extended Data Out (EDO DRAM)o Synchronous DRAM (SDRAM)o PC100o DDRo ESDRAM

ROM (Read Only Memory) PROM EPROM EEPROM

Memorias RAM La memoria RAM (Random Access Memory – Memoria de

Acceso Aleatorio) es la memoria de almacenamiento principal en donde la PC guarda los datos que está utilizando en ese momento

La memoria que auxilia a la CPU en el procesamiento de los datos se conoce como memoria RAM (Random Access Memory = Memoria de Acceso Aleatorio).

Se hace referencia a esta memoria como de “acceso aleatorio” debido a su capacidad de tener acceso a cada byte de forma directa. A diferencia de la memoria ROM, la RAM es “volátil”, es decir, pierde su contenido una vez se apaga la computadora.

Memoria RAM

Memorias RAM

FPM (Fast Page): más rápida que la anterior, por su estructura (el modo de Página Rápida) y por ser de 70 ó 60 ns. Usada hasta con los primeros Pentium, físicamente SIMM de 30 ó 72 contactos (los de 72 en los Pentium y algunos 486).

EDO (Extended Data Output-RAM): permite introducir nuevos datos mientras los anteriores están saliendo lo que la hace un poco más rápida que la FPM. Muy común en los Pentium MMX y AMD K6, con refrescos de 70, 60 ó 50 ns. Físicamente SIMM de 72 contactos y DIMM de 168.

SDRAM (Sincronic-RAM): Funciona de manera sincronizada con la velocidad de la placa base (de 50 a 66 MHz), de unos 25 a 10 ns. Físicamente solo DIMM de 168 contactos, es usada en los Pentium II de menos de 350 MHz y en los Celeron. El estándar de la memoria SDRAM es el llamado JEDEC de diciembre de 1996

Memorias RAM PC100: memoria SDRAM de 100 MHz, que utilizan los AMD K6-II, III,

Pentium II y micros más modernos. Ofrecen una transferencia de 8 bytes/ciclo x 100 MHz = 800 MB/seg. (0,8 GB/seg).

DDR SDRAM, Double Data Rate SDRAM, está basado el estándar JEDEC, y la diferencia con la SDRAM es que por cada ciclo de reloj se activa dos veces, una en el flanco de subida y otra en el de bajada, con ello teóricamente se dobla la velocidad.

ESDRAM, Enhanced SDRAM, esta memoria es una memoria SDRAM normal pero además se le añade un módulo de SRAM, como la memoria de la cache, este módulo viene a funcionar como la caché del procesador, con ello se consigue un mejor tiempo de respuesta

Memorias ROM

• Los fabricantes de computadoras siempre acompañan el hardware del que nos proveen con ciertas rutinas de software básicas para comunicaciónrutinas de software básicas para comunicación con los dispositivos a bajo nivel.

• El Sistema Operativo maneja la comunicación con los dispositivos a través de estas rutinas. El conjunto de estas rutinas se conoce como el BIOS (Basic Input – Output System = Sistema Básico de Entrada y Salida), que entra en acción desde el momento en que se enciende la computadora:

o Revisa la presencia y el estado de los dispositivos conectados al sistema.

o La cantidad de memoria disponible., transfiere el control al registro de arranque, etc.

o Transfiere el control al registro de arranque, etc.

• Estas rutinas son colocadas por el fabricante en un chip especial de memoria que va montado sobre la tarjeta madre (Motherboard).

• Por lo general el conjunto de estas rutinas no cambia y no debe ser alterado por los usuarios. Por ello ese chip especial de memoria es de “solo lectura”: Read Only Memory (ROM) = Memoria de solo lectura.

PROM

EPROM

Programable Read-Only Memory = Memoria Programable de Solo Lectura. Se programa utilizando un tipo de dispositivo conocido como Quemador PROM o Programador PROM, el cual almacena permanentemente las instrucciones binarias en el chip.

Erasable Programable Read-Only Memory = Memoria Borrable y Programable de Solo Lectura. Este tipo de chip puede reprogramarse. Contiene una ventana de cuarzo a través de la cuál se exponen los circuitos interiores del chip. Cuando se aplica luz ultravioleta a través de la ventana se produce una reacción química que borra el EPROM.

Tipos de memoria ROM

EEPROM

Electrically-erasable programmable read-only memory (ROM programable y borrable eléctricamente), en español o castellano se suele referir al hablar como E-2-PROM y en inglés "E-Squared-PROM". Es un tipo de memoria ROM que puede ser programado, borrado y reprogramado eléctricamente, a diferencia de la EPROM que ha de borrarse mediante rayos ultravioletas.

Flash ROM

Soluciona el problema de la lentitud de la reprogramación de la memoria: la realiza en bloques de 512 byte. Los fabricantes permiten que se bajen las actualizaciones de las ROM desde Internet.

Tipos de memoria ROM

ROM-BIOS-CMOS ?

La CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor – Semiconductor Complementario de Oxido de Metal) es una porción de 64 bytes encargada de almacenar los valores y ajustes de la BIOS (aquellos que el usuario podrá cambiar). Podemos almacenar datos como por ejemplo, la fecha y la hora, los parámetros que definen el disco rígido, la secuencia de arranque o la configuración de los puertos.

La BIOS es una memoria no volátil (tipo ROM) y que sus datos están guardados y son inalterables, en cambio, la CMOS es una memoria de tipo RAM y los datos que se guardan se pueden alterar pero también se borrarán en caso de existir algún corte de energía. Para prevenir que se de esta situación, es decir, que se borren los datos definidos por el usuario, se hace uso de una pila que alimentará esta memoria siempre que nuestra PC no esté en marcha.

(Almacenamiento)

Memoria Externa

Definición

Las Unidades o dispositivos de Almacenamiento son componentes del hardware de la computadora que permiten -valga la redundancia- almacenar información, para su posterior uso.

En ellas podemos transportar la información, guardarla, archivarla, etc …

Unidades Magnéticas

Se usan para guardar datos en discos portátiles. Permiten almacenar, archivar, consultar, presentar,

reutilizar, recuperar la información.

Floppy Disk, de Mitsumi

Sus capacidades varían desde los 1,44 Mb (en los disquetes comunes), hasta los 2 Gb, en las unidades Jaz de Iomega.

Unidades Magnéticas

• Ventajas– Portátiles.– Bloqueo físico contra escritura.– Almacena varios archivos de uso común (.doc, .xls, .ppt, etc.) y hasta

algunos de mayor espacio (vídeos, audio, animaciones, fotos).– Bajo costo.

• Desventajas:– Son muy frágiles.– Por su portabilidad, se estropean rápidamente.– Poseen poco espacio de almacenamiento frente a otros dispositivos.

Unidades de Disco Duro (Hard Disk)

Son utilizados, por lo general, para almacenar el Sistema Operativo y los programas, así como la información de uso regular por parte del usuario.

Sus capacidades varían desde los 80 Gb aproximadamente (en realidad, hay de menor capacidad) y depende del avance tecnologico.

Unidades Ópticas (CD y DVD)

Son dispositivos que permiten alojar, de manera portátil, grandes cantidades de información, a un bajo costo.

Los CDs poseen una capacidad de 650 Mb, mientras que los DVD pueden alojar 4,7 y hasta 17,2 Gb de información en un solo disco.

Otras Unidades

• Varias industrias, desde la fotográfica hasta la de vídeo, se han beneficiado.

• Principales usos:– Cámaras fotográficas– Laptops– PDAs– Walkmans– Teléfonos Celulares– Vídeo cámaras– Edición de vídeo (DD removibles)– Etc.

Aritmetica & Unidad Logica Realiza todos los calculos Todo en el computador está al servicio de esta unidad Maneja los enteros Puede manejar numeros con punto flotante (numeros reales) FPU Puede estar en un chip separado (486DX +)

ALU Entradas y Salidas

Representacion de Enteros Solo se tiene 0 & 1 para representar todo. Los numeros positivos están almacenados en binario

ejemplo 41=00101001

No hay signo menor No hay punto decimal

Sign-Magnitude El bit mas significativo (bit de la izquierda) 0 es positivo 1 es negativo +18 = 00010010 -18 = 10010010 Problemas

Se necesitan los dos signos en aritmetica Dos representaciones de cero (+0 and -0)

Grafica Geometrica

Rango de Numeros Complemento de 8 bits

+127 = 01111111 = 27 -1 -128 = 10000000 = -27

Complemento de 16 bit +32767 = 011111111 11111111 = 215 - 1 -32768 = 100000000 00000000 = -215

Conversion Numeros Positivos se rellenan con ceros +18 = 00010010 +18 = 00000000 00010010 Numeros Negativos se rellenan con unos -18 = 10010010 -18 = 11111111 10010010 En el ejemplo observar bit significativo (bit de signo)